Research and Development of Micro Pattern Gaseous Detector using DLC for Next Generation High Luminosity Particle Physics Experiments

• Project/Area Number: 23K20857
• Project/Area Number (Other): 21H01111 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 越智 敦彦 神戸大学, 理学研究科, 准教授 (40335419)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 増渕 達也 東京大学, 素粒子物理国際研究センター, 助教 (20512148)
• Project Period (FY): 2021 – 2023
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2021: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
• Keywords: マイクロパターンガス検出器 / ミューオン検出器 / ダイヤモンドライクカーボン / 高エネルギー実験 / μ-PIC / 素粒子実験 / 粒子測定技術 / MPGD / DLC

Outline of Research at the Start

素粒子の標準理論を超える物理事象の探索手法として、加速器実験における衝突エネルギーと頻度をより高くすることは、最も成果の期待できる手法の一つであり、LHC実験のアップグレードを始めとして次世代の高エネルギー加速器実験の計画が進められています。このためには、粒子線を検出する検出器についても、強い放射線環境下で動作し、なおかつそれをデータとして取得できるものでなければいけません。本研究では、このために高入射粒子許容量と高位置分解能を併せ持つ新型ガス放射線検出器を、微細構造技術、及びダイヤモンドライクカーボン薄膜を使った電極を用いた独自の手法により実現することを目指します。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は開発を進めていたダイヤモンドライクカーボン(DLC)を用いた低物質量Resistive Plate Chamber (RPC)の開発を主に行った。DLC-RPCはRPC検出器の早い時間応答とDLCの低物質量かつ高レート耐性の性質を併せ持つ新しい検出器であり、ビームライン上に飛来する低エネルギー陽電子を観測するために開発が進められている。
現在まで実験で要求される値を満たすために試作機を作成し改良を続けており、物質量や時間分解能は十分に要求値を満たすことがわかっているが、放射線耐性は調べられておらず、KEKでの高強度X線を用いて性能評価を行った。X線試験では照射前後で波高が20%程度低下することが観測されて、検出効率も約7%減少した。
また、照射後のDLCを詳細に調査し、DLC表面に変性が見られ抵抗値の上昇が観測されたが、表面を洗浄する事で性能が回復する事もわかった。更に詳細な表面の調査でガスに含まれるフッ素が蒸着していることも明らかにした。また、照射後にDLCが剥がれている箇所も観測され、放射線耐性をより綿密に調査する必要性があることがわかった。ガス層の距離を保つために導入しているスペーサー周りが放電の原因になる可能性も観測されて、今後の試作機でスペーサーのデザインの最適化や品質管理を向上させる必要があることも明らかに出来た。これらの結果を踏まえて新型モジュールの設計を進めている。また、DLC-RPCの開発と性能評価をまとめた論文(NIM A 1054 (2023), 168450)を出版した。
さらに、国際会議では次期実験であるFASER II実験で要求される低物質量かつO(100μm)で高レート耐性を持つ飛跡検出器として、MPGDを提案し様々な可能性を検討し議論をすることが出来た。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research]
• [Journal Article] The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider : A Description of the Detector Configuration for Run 3 (2024)
  • Author(s): Atsuhiko Ochi, Tatsuya Masubuchi, et al.,
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 19 Issue: 05 Pages: P05063-P05063
  • DOI: 10.1088/1748-0221/19/05/p05063
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of ultra-low mass and high-rate capable RPC based on Diamond-Like Carbon electrodes for MEGII experiment (2023)
  • Author(s): Kensuke Yamamoto, Sei Ban, Kei Ieki, Atsuhiko Ochi, Rina Onda, Wataru Ootani, Atsushi Oya, Masato Takahashi
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A Volume: 1054 Pages: 168450-168450
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A detailed map of Higgs boson interactions by the ATLAS experiment ten years after the discovery (2022)
  • Author(s): ATLAS Collaboration
  • Journal Title: Nature Volume: 607 Issue: 7917 Pages: 52-59
  • DOI: 10.1038/s41586-022-04893-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Micro Pixel Chamber and MPGDs, Developments and their applications (2023)
  • Author(s): Atsuhiko Ochi
  • Organizer: 1st International Conference on Sensor, Detector, Materials Science and Technologies, Bolu Abant izzet Baysal University, Turkiye, 5-7 October, 2023
• [Presentation] New Proposals for Large Track Detectors for FASER II Experiments (2023)
  • Author(s): Atsuhiko Ochi
  • Organizer: RD51 Collaboration Meeting, CERN, Switzerland, 4-8 December, 2023
• [Presentation] MPGD開発についての海外の状況-DRD1発足に向けて (2023)
  • Author(s): 越智敦彦
  • Organizer: 第20回MPGD&第7回アクティブ媒質TPC合同研究会, 2023年11月18日, 東北大学
• [Presentation] Radiation Hardness Studies of RPC Based on Diamond-Like Carbon Electrodes for MEG II Experiment (2023)
  • Author(s): Masato Takahashi
  • Organizer: 3rd International Conference on Detector Stability and Aging Phenomena in Gaseous Detectors, CERN, Switzerland, 6-10 November, 2023
• [Presentation] Recent Results in Higgs Physics (2023)
  • Author(s): Tatsuya Masubuchi
  • Organizer: The European Physical Society Conference on High Energy Physics (EPS-HEP) 2023, Hamburg, August 20-25, 2023
• [Presentation] Micro-pixel chamber with photo readout (2023)
  • Author(s): Atsuhiko Ochi
  • Organizer: RD51 Mini-Week workshop, February 27-28th, CERN Switzerland
• [Presentation] Solder Resist薄膜を絶縁性素材に使用したDLC μ-PICの基本性能の研究 (2022)
  • Author(s): 山下翼
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] DLC μ-PICの光学的読み出しの研究 (2022)
  • Author(s): 山下翼
  • Organizer: MPGD&Active媒質TPC2022研究会, 2022年12月9-10日
• [Presentation] RD51及びMPGD開発の国外の動向 (2022)
  • Author(s): 越智敦彦
  • Organizer: MPGD&Active媒質TPC2022研究会, 2022年12月9-10日
• [Presentation] 10th Anniversary of the Higgs Boson Discovery -What we learned in a decade- (2022)
  • Author(s): 増渕達也
  • Organizer: Tsukuba Global Science Week, Tsukuba, September 26-30, 2022
• [Presentation] Precision manufacturing techniques (electrical and mechanical properties of detector components), additive manufacturing and new materials (low mass, radio-purity) (2021)
  • Author(s): Atsuhiko Ochi
  • Organizer: ECFA Detector R&D Roadmap Symposium of Task Force 1 Gaseous Detectors
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 表面抵抗率の異なるDLCを用いたresistive μ-picの増幅率及び特性の時間変化の測定 (2021)
  • Author(s): 谷口大悟
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 表面抵抗率の異なるDLCを用いたresistive μ-PICの動作条件による増幅率の最適化 (2021)
  • Author(s): 高橋真斗
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 多チャンネル読み出しを用いたDLCμ-PICの性能評価と高レート中性子下のイメージング性能評価 (2021)
  • Author(s): 長崎大智
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] RD51活動報告とMPGD国際会議のご案内 (2021)
  • Author(s): 越智敦彦
  • Organizer: MPGD&Active媒質TPC2021研究会
• [Presentation] SRSシステム(APV25, VMM3a)を用いたDLCμ-PICの性能測定 (2021)
  • Author(s): 長崎大智
  • Organizer: MPGD&Active媒質TPC2021研究会
• [Presentation] DLCを用いたResistive μ-PICの電極構造と絶縁素材の改良 (2021)
  • Author(s): 山下翼
  • Organizer: MPGD&Active媒質TPC2021研究会
• [Presentation] Resistive μ-PICの増幅率のガス依存性および最適電極構造の研究 (2021)
  • Author(s): 高橋真斗
  • Organizer: MPGD&Active媒質TPC2021研究会
• [Presentation] Resistive μ-PICの増幅率変化の電極抵抗率依存性に関する研究 (2021)
  • Author(s): 山下翼
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Remarks] 神戸大学μ-PICグループ
  • URL: https://ppwww.phys.sci.kobe-u.ac.jp/~upic/